Wykład 7 1
Alkohole
Alkohole to związki organiczne, posiadające w cząsteczce
przynajmniej jedną hydroksylową grupę funkcyjną (–OH). Jeżeli grupa ta jest połączona bezpośrednio z pierścieniem aromatycznym, to taki związek należy do fenoli.
Duża różnica elektroujemności między węglem a tlenem, oraz hybrydyzacja sp3 na atomie tlenu wraz z obecnością niewiążących par elektronów, powoduje polarność cząsteczki. Grupa
hydroksylowa jest hydrofilowa, a część
węglowodorowa jest hydrofobowa (lipofilowa).
Alkohole są dobrymi rozpuszczalnikami zarówno dla związków polarnych, jak i niepolarnych.
Wyższa temperatura wrzenia dzięki obecności wiązań wodorowych.
Wykład 7 2
Nomenklatura alkoholi
Nazwy alkoholi tworzy się dodając do nazwy odpowiedniego węglowodoru końcówkę –ol, poprzedzoną numerem węgla, przy
którym występuje –OH. Dla alkoholi wielowodorotlenowych dodaje się końcówkę: -diol, -triol, itd.
CH3 OH C2H5 OH H3C CH2 CH2 OH H3C CH CH3 OH
H2C CH2 OH OH
H2C CH CH2 OH OH OH
OH
metanol etanol propan-1-ol propan-2-ol
etano-1,2-diol
(glikol etylenowy) propano-1,2,3-triol
(gliceryna, glicerol) cykloheksanol
OH
fenol
Wykład 7 3
Rzędowość alkoholi
CH3 OH
C2H5 OH H3C CH2 CH2 OH
H3C CH CH3 OH
OH metanol
etanol propan-1-ol
propan-2-ol cykloheksanol
Rząd zerowy
Alkohole 1-rzędowe
H3C CH2 CH2 CH2 OH butan-1-ol
CH H3C H3C
CH2 OH
2-metylopropan-1-ol (izobutanol) Alkohole 2-rzędowe
H3C CH2 CH CH3 OH
butan-2-ol (sec-butanol) Alkohole 3-rzędowe
H3C C CH3
CH3 OH
2-metylopropan-2-ol (tert-butanol)
Wykład 7 4
Reakcje otrzymywania alkoholi
1. Addycja wody do wiązania podwójnego węgiel-węgiel
2. Redukcja związków karbonylowych i karboksylowych
R C O
H R C
O R
R C O OR'
aldehyd keton
ester
NaBH3
LiAlH4 NaBH3
R CH2OH
R CH OH
R
R CH2OH + R'OH
alkohol 1-rzędowy alkohol 2-rzędowy
alkohol 1-rzędowy
Wykład 7 5
3. Synteza Grignarda – otrzymywanie alkoholi ze związków magnezoorganicznych i związków karbonylowych
4. Hydroliza halogenków alkilowych
R Cl Mg R Mg Cl
R' C O
R'' R' C
OH R'' 1) R MgCl R
2) H2O
+ eter
δ− δ+
δ− δ+
δ+
δ−
R Cl R OH + NaCl
H2O NaOH
Wykład 7 6
Reakcje alkoholi
1. Reakcje z rozerwaniem wiązania O-H. W obecności silnych zasad, alkohole mogą zachowywać się jak kwasy. W roztworach
wodnych jednak nie ulegają dysocjacji.
Bezwodne alkohole reagują z metalami alkalicznymi w wydzielaniem gazowego wodoru i tworzeniem alkoholanów.
R O H + NH2- R O| + NH3
RO H Na
RONa + H2
Wykład 7 7
Reakcja estryfikacji. Z kwasami karboksylowymi i ich pochodnymi (chlorkami, bezwodnikami) alkohole tworzą estry:
Estry mogą tworzyć również kwasy nieorganiczne:
R C OH O
R C Cl O
R'OH
R'OH
R C OR' O
R C OR' O
H2O
HCl
+ +
+ +
H+ kwas karboksylowy
chlorek kwasowy ester
ester
C2H5O P O
OC2H5 OC2H5
fosforan (V) trietylu
Wykład 7 8
2. Reakcje z rozerwaniem wiązania C-O. Reakcje podstawienia nukleofilowego. Często przebiegają poprzez karbokationy:
protonowanie grupy hydroksylowej i oderwanie cząsteczki wody.
Karbokationy mogą ulegać przegrupowaniom do trwalszych, o większej rzędowości.
Wykład 7 9
Mechanizm substytucji nukleofilowej SN1 i SN2 W związku z różnicami trwałości karbokationów, reakcja podstawienia nukleofilowego może przebiegać wg dwóch
mechanizmów: dwucząsteczkowego SN2 (metanol i 1-rzędowe):
lub jednocząsteczkowego SN1 (3-rzędowe):
2-rzędowe reagują wg mechanizmu mieszanego.
C H H
H
OH + H+ C
H H
H
OH2 Br- C OH2 H H
H -H2O C
H H H Br
C H3C H3C
H3C
OH C
H3C H3C
H3C
OH2 H+
+ -H2O C
CH3 H3C
CH3
+ Br- H3C C
H3C H3C
Br
Wykład 7 10
Reakcje z halogenowodorami przebiega wg mechanizmu substytucji nukleofilowej. Do tej reakcji konkurencyjna jest reakcja eliminacji wody. Eliminacja również może przebiegać wg mechanizmu
jednocząsteczkowego E1, jak i dwucząsteczkowego E2.
Na etapie karbokationu może nastąpić przegrupowanie.
C H
C OH H2SO4
Δ C C + H2O
C H
C OH H+ C
H
C O H
H C
H
C + H2O
C C + H+ Mechanizm
Wykład 7 11
Utlenianie alkoholi 1-rzędowych prowadzi do aldehydów i kwasów karboksylowych:
Alkohole 2-rzędowe utleniają się do ketonów:
Alkohole 3-rzędowe można utlenić jedynie z rozpadem cząsteczki.
CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2 C O
H CH3CH2CH2 C O butanol butanal OH
aldehyd butylowy kwas butanowy kwas masłowy
CrO3 CrO3
CH3CH2CHCH3 OH
K2Cr2O7
H+ CH3CH2CCH3 O butan-2-ol butanon
keton metylowo- etylowy
Wykład 7 12
Związki, które posiadają grupę hydroksylową połączoną bezpośrednio do pierścienia aromatycznego, to fenole.
Fenole mają charakter słabo kwaśny. W wodzie dysocjują na jony, a z zasadami tworzą sole – fenolany. Właściwości te nadają wolne
pary elektronowe na atomie tlenu, które wchodzą w rezonans z elektronami pierścienia:
Z tego też powodu fenole są bardziej aktywne w reakcji substytucji elektrofilowej.
O H
O H
O H
O H
Wykład 7 13
W fenolach występują wiązania wodorowe. Mogą one być pomiędzy cząsteczkami, lub wewnątrzcząsteczkowe. Związki z wiązaniami
wodorowymi wewnątrz cząsteczki charakteryzują się mniejszą polarnością i niższą lotnością.
H O
H O O
N H
H H
H O H O
H H O
O
N H O
O
Wykład 7 14
Nazewnictwo fenoli.
OH OH
CH3
OH
Cl
OH
NH2
OH
OH
OH
OH
OH
OH COOH
OH
OH
OH
OH
NO2 O2N
NO2 fenol 2-metylofenol
(o-krezol) 3-chlorofenol
(m-chlorofenol) 4-aminofenol (p-aminofenol)
Benzeno-1,4-diol (Hydrochinon)
Benzeno-1,3-diol
(Rezorcynol) Benzeno-1,2-diol (Pirokatechol)
Kwas o-hydroksybenzoesowy (Kwas salicylowy)
1-naftol 2-naftol 2,4,6-trinitrofenol (kwas pikrynowy)
Wykład 7 15
Otrzymywanie fenoli
1. Na przemysłową skalę fenol otrzymuje się z chlorobenzenu w wysokiej temperaturze i pod dużym ciśnieniem.
2. W laboratorium fenole otrzymuje się z sulfonianów lub soli diazoniowych.
Cl OH
NaOH Δ / p
SO3H OK OH
N2
CH3
OH
CH3 Cl
KOH H2O / H+
H2O H2SO4 Δ
Wykład 7 16
Reakcje fenoli 1. Dysocjacja elektrolityczna.
Anion jest stabilizowany przez rezonans:
Jeszcze lepsza stabilizacja jest dla fenolanów z podstawnikami wyciągającymi elektrony.
Wykład 7 17
2. Tworzenie estrów
OH
C2H5 C O
Cl
O C O
C2H5
+ HCl propionian fenylu
OH O C
O
C2H5 CH3 C
O O
C CH3
O
CH3COOH +
octan fenylu
Wykład 7 18
3. Substytucja elektrofilowa
OH OH
Br Br
Br
3 HBr +
2,4,6-tribromofenol
OH
3 Br2 Bromowanie
Nitrowanie
HNO3 stęż.
HNO3 rozc.
OH
NO2 O2N
NO2
OH
NO2
OH
NO2 +
2,4,6-trinitrofenol
o-nitrofenol p-nitrofenol
Wykład 7 19
4. Utlenianie
OH
OH
OH HO
O
O
O O
Na2Cr2O7
H+
H+ Na2Cr2O7 hydrochinon
pirokatechina
Wykład 7 20
Etery – związki o wzorze ogólnym R-O-R’. R i R’ mogą być pochodnymi alifatycznymi lub aromatycznymi.
C2H5OC2H5 CH3OCH CH3
CH3 CH3O
O
eter dietylowy eter izopropylowo-metylowy eter fenylowo-metylowy (metoksybenzen)
eter fenylowo-1-naftylowy
Wykład 7 21
Otrzymywanie eterów Synteza Williamsona:
Etery aromatyczno-alifatyczne:
CH3Br C2H5ONa CH3OC2H5 NaBr
C2H5Cl
H3C
CH H3C
ONa
H3C
CH H3C
OC2H5 NaCl +
+ +
+
OH C5H11Cl
OC5H11 + NaCl + H2O
Wykład 7 22
Fluorowcowęglowodory – są to pochodne węglowodorów, gdzie jeden lub więcej atomów wodoru jest podstawione atomem
fluorowca.
Fluorowcowęglowodory mogą być alifatyczne i aromatyczne. Grupą funkcyjną dla tych związków jest atom fluorowca.
Pochodne chlorowe i bromowe wykazują podobne właściwości chemiczne i fizyczne, pochodne jodowe w dużej mierze wykazują podobne zachowanie. Dla pochodnych fluorowych ze względu na dużą różnicę elektroujemności, a z drugiej strony zbliżoną wielkość do atomów wodoru różnice w reaktywności i metodach syntezy są znaczące. Duże różnice istnieją również dla pochodnych
alifatycznych i aromatycznych.
Pochodne fluorowcowe często nazywa się pochodnymi halogenowymi.
Wykład 7 23
Nomenklatura halogenowęglowodorów
CH3Cl CH3CH2Cl CH2Br CH2Cl
Chlorowcopochodne 1-rzędowe
CH3CHCH3 Cl Br
CH3CH2CHCH3 Cl
Chlorowcopochodne 2-rzędowe
Chlorowcopochodne 3-rzędowe
CH3 C H3C
CH3 Cl chlorometan
(chlorek metylu) chloroetan
(chlorek etylu) cykloheksylobromometan chlorek benzyl
2-bromopropan
(bromek izopropylu)
2-chlorobutan
(chlorek sec-butylu) chlorocykloheksan (chlorek cykloheksylu)
2-chloro-2-metylopropan (chlorek tert-butylu)
Wykład 7 24
Otrzymywanie halogenków alkilowych
1. Podstawienie nukleofilowe grupy hydroksylowej w alkoholach.
2. Addycja elektrofilowa do wiązania wielokrotnego alkenów lub alkinów.
3. Podstawienie rodnikowe w alkanach.
CH CH
R R'
HX X2
R CH CH R'
H X
R CH CH R'
X X
X = Cl, Br .
Wykład 7 25
Reakcje chlorowcopochodnych alifatycznych
1. Reakcje podstawienia nukleofilowego – otrzymywanie alkoholi, eterów, estrów, amin, alkilobenzenów.
2. Reakcje dehydrohalogenacji (eliminacji)
3. Otrzymywanie związków magnezoorganicznych (związków Grignarda)
4. Reakcje redukcji
R CH R' X
δ+
δ−
atom węgla podatny
na atak nukleofilowy
Wykład 7 26
Reakcje substytucji nukleofilowej halogenowęglowodorów
R X
X = Cl, Br, I
NH3 RNH3+X-
H2O ROH HX
R'OH ROR' HX
+
amina
R X + +
alkohol
R X + +
eter
R X + OH-
alkohol
+ X- ROH
RCN + X- nitryl
CN- R X +
Substytucja nukleofilowa może przebiegać wg
mechanizmu SN1
(pochodne 3-rzędowe i inne mogące stabilizować karbokation) i SN2
(pochodne 1-rzędowe i inne nie posiadające objętościowych
podstawników).
Wykład 7 27
Czynniki wpływające na mechanizm substytucji nukleofilowej
1. Struktura łańcucha węglowego – im trwalszy karbokation, tym bardziej prawdopodobny mechanizm SN1. Trwałość karbokationów rośnie wraz z rzędowością atomu węgla, przy którym występuje.
2. Rodzaj grupy odchodzącej – im łatwiej pęka wiązanie C-X tym szybciej zachodzi reakcja substytucji. Reaktywność halogenków zmienia się w szeregu: R-I > R-Br > R-Cl.
3. Właściwości nukleofila – im silniejszy nukleofil, tym bardziej
prawdopodobny mechanizm SN2. Nukleofile silne: I-, dobre: Br-, RO-, CN-, OH-, średnie: Cl-, NH3, RCOO-, słabe: H2O, ROH.
4. Stężenie nukleofila – wzrost stężenia nukleofila zwiększa szybkość reakcji SN2.
5. Środowisko reakcji – rozpuszczalnik stabilizujący karbokation (solwatujący) przyspiesza mechanizm SN1.
Wykład 7 28
Reakcje eliminacji chlorowcopochodnych (dehydrohalogenacja) Reakcja dehydrohalogenacji zachodzi w środowisku zasadowym, w podwyższonej temperaturze. W wyniku powstają węglowodory
nienasycone.
CH3CH2CH2CH2Cl (CH3)3COK
CH3CH2CH=CH2
1-chlorobutan but-1-en
Cl H H
H
C2H5ONa C2H5OH chlorek
cykloheksylu cykloheksen
CH3CHCH2CH3 Br
CH3CH=CHCH3 CH2=CHCH2CH3 C2H5OH
KOH +
2-bromobutan but-2-en
(produkt główny) but-1-en Reguła Zajcewa
Wykład 7 29
Mechanizm eliminacji dwucząsteczkowej E2
Eliminacja E2 sprowadza się do jednoczesnego odejścia chlorowca z parą elektronów i oderwania protonu o
sąsiedniego atomu węgla z utworzeniem wiązania
podwójnego.
Szybkość tej reakcji zależy jednocześnie od stężenia chlorowcopochodnej jak i zasady.
Dehydrohalogenacja jest eliminacją anti – oderwaniu ulegają fragmenty po
przeciwnych stronach płaszczyzny cząsteczki.
Wykład 8 30
Mechanizm eliminacji jednocząsteczkowej E1
Eliminacja E1 jest stosunkowo rzadka dla halogenoalkilów. Odnosi się w zasadzie do nielicznych pochodnych 3-rzędowych i najczęściej w nieobecności zasad. Funkcję zasady pełni wówczas
rozpuszczalnik. Ponieważ w trakcie tej reakcji tworzy się produkt przejściowy (karbokation), musi on być w miarę trwały i
stabilizowany np. przez solwatujący rozpuszczalnik.
Wykład 7 31
Porównanie mechanizmów eliminacji E1 i E2
- Łatwiej reagują halogenki o wyższej rzędowości
- Łatwiej reagują jodki, potem bromki, chlorki i fluorki - Szybciej i w przewadze powstają produkty o bardziej podstawionych atomach węgla przy wiązaniu podwójnym
- W wyniku eliminacji E1 mogą następować przegrupowania (tworzenie się bardzie trwałych karbokationów, jako produktów pośrednich), w przypadku eliminacji E2 – przegrupowania nie występują.
Wykład 7 32
Porównanie substytucji nukleofilowej i eliminacji
Reakcje substytucji nukleofilowej i eliminacji są konkurencyjne względem siebie.
O kierunku i mechanizmie decydują czynniki:
1. Rzędowość halogenku alkilu - pierwszorzędowe ulegają SN2, podstawianiu trzeciorzędowych zawsze towarzyszy eliminacja.
2. Rodzaj grupy odchodzącej – łatwość rozerwania wiązania C-X sprzyja zarówno podstawieniu jak i eliminacji.
3. Rodzaj grupy atakującej nukleofil – zasada.
4. Rozpuszczalnik – modyfikuje właściwości nukleofilowe lub zasadowe.
5. Temperatura – podwyższona sprzyja eliminacji.
Wykład 7 33
Związki metaloorganiczne
Halogenowodory mogą reagować z niektórymi metalami (np. Li, Na, Mg) i tworzyć związki
metaloorganiczne.
Ze względu na
spolaryzowanie wiązania metal-węgiel, są one
dogodnymi odczynnikami wprowadzającymi
podstawnik jako anion.
Wykład 7 34
Redukcja halogenowęglowodorów 1. Redukcja związków metaloorganicznych
2. Redukcja halogenowęglowodorów wodorem w obecności katalizatora
Wykład 7 35
Halogenopochodne aromatyczne – atom chlorowca jest bezpośrednio połączony z pierścieniem aromatycznym.
Sprzężenie z elektronami sekstetu aromatycznego obniża spolaryzowanie wiązania C-X.
Nomenklatura halogenopochodnych aromatycznych:
Wykład 7 36
Otrzymywanie halogenków aromatycznych 1. Bezpośrednie chlorowcowanie benzenu i związków
aromatycznych (wprowadzanie tylko chloru i bromu) 2. Podstawienie soli diazoniowych
Wykład 8 37
Substytucja nukleofilowa w związkach aromatycznych
Obecność sprzężonego układu elektronów aromatycznych zmniejsza ładunek dodatni na atomie węgla, połączonym z chlorowcem. Dla niepodstawionego chlorobenzenu, substytucja nukleofilowa nie zachodzi. Możliwa jest ona przy obecności podstawników
wyciągających elektrony:
Wykład 7 38
Substytucja elektrofilowa halogenopochodnych arenów
Porównanie substytucji
elektrofilowej dla benzenu i chlorobenzenu.
Struktury
rezonansowe przy podstawieniu w pozycję orto i meta. Pozycje
uprzywilejowane:
orto i para.
Wykład 8 39
Aldehydy i ketony – związki z karbonylową grupą funkcyjną (C=O) Aldehydy powstają podczas
niepełnego utleniania
alkoholi pierwszorzędowych.
Posiadają one przy grupie karbonylowej przynajmniej jeden wodór.
Nazwy aldehydów tworzy się od nazw węglowodorów dodając końcówkę –al, lub od nazw kwasów dodając słowo:
aldehyd.
Wykład 7 40
Ketony powstają w wyniku utleniania alkoholi drugorzędowych.
Grupa karbonylowa jest połączona z dwoma podstawnikami węglowodorowymi.
Nazwy ketonów tworzy się od nazw węglowodorów
dodając końcówkę – on, poprzedzoną numerem, lub od słowa keton osobno traktując podstawniki przy grupie karbony- lowej.
Wykład 7 41
Otrzymywanie aldehydów.
CH3 OH H C H
O2/kat. O
Δ
CH2 CH2 O2
PdCl2 CH3 C H O
RCH2OH
CrO3
R C O
H
metanol metanal
etylen etanal
alkohol
1-rzędowy aldehyd
utlenianie alkoholi 1-rzędowych
utlenianie toluenu w bezwodniku octowym CH3
O2/(CH3CO)2O katalizator
CH OCOCH3
OCOCH3
H2O
C
O H
toluen dioctan toluenu aldehyd
benzoesowy
R C O
Cl R C
O H
(tert-BuO)3HAlLi redukcja chlorków kwasowych
Wykład 7 42
Otrzymywanie ketonów
R CH OH
R' R C
O K2Cr2O7 / H+ R'
R C N R'MgX R C R'
NMgX
R C O Cl
Utlenianie alkoholi drugorzędowych
+ R C R'
NH
R C R' O H2O H2O / H+
Addycja związków Grignarda do nitryli i hydroliza iminy R'2CuLi
R'2Cd R C
O
R' Reakcje chlorków kwasowych ze związkami metaloorganicznymi
Wykład 7 43
Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej
C R R
O C
O- Nu R
R C
OH Nu R
R Nu-
H2O
OH- +
Addycja nukleofilowa w środowisku obojętnym
δ+ δ−
Addycja nukleofilowa w środowisku kwaśnym
C R R
O C
R R
O H C
R R
O H C
OH Nu R
R H+
+
Nu-
Prównanie addycji i substytucji SN2
C O-
Nu R
R
addycja - produkt przejściowy
C
R H
H
Nu X
δ− δ−
substytucja - stan przejściowy
Wykład 7 44
Reakcje addycji nukleofilowej do grupy karbonylowej
1. Addycja cyjanowodoru – tworzenie cyjanohydryn i ich redukcja do pochodnych α-hydroksykwasów
2. Addycja amoniaku i amin – tworzenie imin
R C O H
R C CN
OH H
R C C OH
O OH
HCN H2O
CN- H+
aldehyd cyjanohydryna
α-hydroksykwas
Wykład 7 45
3. Addycja alkoholi – tworzenie hemiacetali i acetali Alkohole samorzutnie
reagują z aldehydami, tworząc hemiacetale.
Natomiast w obecności kwasu
aldehyd może przyłączyć drugą cząsteczkę alkoholu i utworzyć acetal z wydzieleniem cząsteczki wody.
Wykład 7 46
4. Addycja związków magnezoorganicznych – reakcja Grignarda
Mechanizm addycji związku Grignarda
Wykład 7 47
Projektowanie syntezy Grignarda
Aby otrzymać alkohol o konkretnej strukturze, można przeprowadzić reakcję Grignarda na różne sposoby,
wychodząc z różnych substratów.
Wykład 7 48
Redukcja związków karbonylowych 1. Redukcja wodorkami do
alkoholi
2. Redukcja wodorem
3. Redukcja do węglowodorów:
a) Reakcja Clemmensena b) Reakcja
Wolffa-Kiżnera
Wykład 7 49
Utlenianie związków karbonylowych
1. Aldehydy utleniają się do kwasów karboksylowych. Jako
utleniacze mogą występować: manganian (VII) potasu, dichromian sodu, odczynnik Tollensa (kompleks jonów srebra i amoniaku),
odczynnik Trommera (jony Cu2+).
2. Metyloketony ulegają reakcji haloformowej z chlorem lub
bromem z utworzeniem kwasu o łańcuchu krótszym o jeden atom węgla.
RCHO [O]
RCOOH
[O] = KMnO4, Na2Cr2O7, [Ag(NH3)2]2+, Cu2+, O2
Wykład 8 50
„Kwasowość” wodorów α, tautomeria keto-enolowa.
Polaryzacja grupy karbonylowej powoduje przesunięcie elektronów wokół sąsiadującego z nią atomu węgla (α). Wodory α są słabiej przyciągane i łatwo się odrywają.
W odpowiednich aldehydach i ketonach wytwarza się równowaga tautomeryczna pomiędzy formą ketonową a enolową.
Wykład 7 51
Reakcje z udziałem karboanionów. Kondensacja aldolowa.
Reakcją z udziałem protonów α jest kondensacja aldolowa.
Kondensacja to reakcja połączenia dwóch cząsteczek z eliminacją innej mniejszej, np. wody. Poniżej kondensacja aldehydu octowego.
Mechanizm kondensacji aldolowej:
Wykład 7 52
Reakcja dysproporcjonowania. Reakcja Canizzaro.
Aldehydy nie zawierające wodorów α w środowisku zasadowym ulegają reakcji dysproporcjonowania. Jedna cząsteczka aldehydu utlenia się do kwasu, podczas gdy druga redukuje się do alkoholu.
C O H
H
stęż. NaOH
2 CH3OH + HCOOH